隨著電子技術(shù)快速發(fā)展，以及無(wú)線通信技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，高頻、高速、高密度已逐步成為現(xiàn)代電子產(chǎn)品的顯著發(fā)展趨勢(shì)之一。信號(hào)傳輸高頻化和高速數(shù)字化，迫使PCB走向微小孔與埋/盲孔化、導(dǎo)線精細(xì)化、介質(zhì)層均勻薄型化，高頻高速高密度多層PCB設(shè)計(jì)技術(shù)已成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

高頻高速高密度多層PCB設(shè)計(jì)技術(shù)

1、布局的設(shè)計(jì)

一般先放置與機(jī)械尺寸有關(guān)的固定位置的元器件,再放置特殊的和較大的元器件,最后放置小元器件。同時(shí),要兼顧布線方面的要求,高頻元器件的放置要盡量緊湊,信號(hào)線的布線才能盡可能短,從而降低信號(hào)線的交叉干擾等。

電源插座、開(kāi)關(guān)、PCB之間的接口、指示燈等都是與機(jī)械尺寸有關(guān)的定位插件。通常,電源與PCB之間的接口放到PCB的邊緣處,并與PCB 邊緣要有3 mm～5 mm的間距;指示發(fā)光二極管應(yīng)根據(jù)需要準(zhǔn)確地放置;開(kāi)關(guān)和一些微調(diào)元器件,如可調(diào)電感、可調(diào)電阻等應(yīng)放置在靠近PCB 邊緣的位置,以便于調(diào)整和連接;需要經(jīng)常更換的元器件必須放置在器件比較少的位置,以易于更換。

大功率管、變壓器、整流管等發(fā)熱器件,在高頻狀態(tài)下工作時(shí)產(chǎn)生的熱量較多,所以在布局時(shí)應(yīng)充分考慮通風(fēng)和散熱,將這類(lèi)元器件放置在PCB上空氣容易流通的地方。大功率整流管和調(diào)整管等應(yīng)裝有散熱器,并要遠(yuǎn)離變壓器。電解電容器之類(lèi)怕熱的元件也應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱器件,否則電解液會(huì)被烤干,造成其電阻增大,性能變差,影響電路的穩(wěn)定性。

考慮各個(gè)單元功能電路之間的信號(hào)傳遞關(guān)系,還應(yīng)將低頻電路和高頻電路分開(kāi),模擬電路和數(shù)字電路分開(kāi)。集成電路應(yīng)放置在PCB的中央,這樣方便各引腳與其他器件的布線連接。

在PCB的關(guān)鍵部位要配置適當(dāng)?shù)母哳l退耦電容,如在PCB電源的輸入端應(yīng)接一個(gè)10μF～100 μF的電解電容,在集成電路的電源引腳附近都應(yīng)接一個(gè)0.01 pF左右的瓷片電容。有些電路還要配置適當(dāng)?shù)母哳l或低頻扼流圈,以減小高低頻電路之間的影響。這一點(diǎn)在原理圖設(shè)計(jì)和繪制時(shí)就應(yīng)給予考慮,否則也將會(huì)影響電路的工作性能。

元器件排列時(shí)的間距要適當(dāng),其間距應(yīng)考慮到它們之間有無(wú)可能被擊穿或打火。

在對(duì)主要元器件完成手動(dòng)布局后,應(yīng)采用元器件鎖定的方法,使這些元器件不會(huì)在自動(dòng)布局時(shí)移動(dòng)。即執(zhí)行Edit change命令或在元器件的Properties選中Locked就可以將其鎖定不再移動(dòng)。

2、布線的設(shè)計(jì)

布線是在合理布局的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高頻PCB 設(shè)計(jì)的總體要求。布線包括自動(dòng)布線和手動(dòng)布線兩種方式。通常,無(wú)論關(guān)鍵信號(hào)線的數(shù)量有多少,首先對(duì)這些信號(hào)線進(jìn)行手動(dòng)布線,布線完成后對(duì)這些信號(hào)線布線進(jìn)行仔細(xì)檢查,檢查通過(guò)后將其固定,再對(duì)其他布線進(jìn)行自動(dòng)布線。即采用手動(dòng)和自動(dòng)布線相結(jié)合來(lái)完成PCB的布線。

2.1 布線的走向

電路的布線最好按照信號(hào)的流向采用全直線,需要轉(zhuǎn)折時(shí)可用45°折線或圓弧曲線來(lái)完成,這樣可以減少高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射和相互間的耦合。高頻信號(hào)線的布線應(yīng)盡可能短。要根據(jù)電路的工作頻率,合理地選擇信號(hào)線布線的長(zhǎng)度,這樣可以減少分布參數(shù),降低信號(hào)的損耗。制作雙面板時(shí),在相鄰的兩個(gè)層面上布線最好相互垂直、斜交或彎曲相交。避免相互平行,這樣可以減少相互干擾和寄生耦合。

在PCB的布線過(guò)程中,走線的最小寬度由導(dǎo)線與絕緣層基板之間的粘附強(qiáng)度以及流過(guò)導(dǎo)線的電流強(qiáng)度所決定。當(dāng)銅箔的厚度為0.05mm、寬度為1mm～1.5 mm時(shí),可以通過(guò)2A電流。溫度不會(huì)高于3 ℃,除一些比較特殊的走線外,同一層面上的其他布線寬度應(yīng)盡可能一致。在高頻電路中布線的間距將影響分布電容和電感的大小,從而影響信號(hào)的損耗、電路的穩(wěn)定性以及引起信號(hào)的干擾等。在高速開(kāi)關(guān)電路中,導(dǎo)線的間距將影響信號(hào)的傳輸時(shí)間及波形的質(zhì)量。因此,布線的最小間距應(yīng)大于或等于0.5 mm,只要允許,PCB布線最好采用比較寬的線。

布線中遇到只有繞大圈才能連接的線路時(shí),要利用飛線,即直接用短線連接來(lái)減少長(zhǎng)距離走線帶來(lái)的干擾。

含有磁敏元件的電路其對(duì)周?chē)艌?chǎng)比較敏感,而高頻電路工作時(shí)布線的拐彎處容易輻射電磁波,如果PCB中放置了磁敏元件,則應(yīng)保證布線拐角與其有一定的距離。

同一層面上的布線不允許有交叉。對(duì)于可能交叉的線條,可用“鉆”與“繞”的辦法解決,即讓某引線從其他的電阻、電容、三極管等器件引腳下的空隙處“鉆”過(guò)去,或從可能交叉的某條引線的一端“繞”過(guò)去。在特殊情況下,如果電路很復(fù)雜,為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),也允許用導(dǎo)線跨接解決交叉問(wèn)題。

2.3 電源線與地線的布線要求

在布線過(guò)程中還應(yīng)該及時(shí)地將一些合理的布線鎖定,以免多次重復(fù)布線。即執(zhí)行EditselectNet命令在預(yù)布線的屬性中選中Locked就可以將其鎖定不再移動(dòng)。

3.1 焊盤(pán)與孔徑

需要注意的是,焊盤(pán)內(nèi)孔徑d的大小是不同的,應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際元器件引線直徑的大小加以考慮,如元件孔、安裝孔和槽孔等。而焊盤(pán)的孔距也要根據(jù)實(shí)際元器件的安裝方式進(jìn)行考慮,如電阻、二極管、管狀電容器等元件有“立式”、“臥式”兩種安裝方式,這兩種方式的孔距是不同的。此外,焊盤(pán)孔距的設(shè)計(jì)還要考慮元器件之間的最小間隙要求,特別是特殊元器件之間的間隙需要由焊盤(pán)間的孔距來(lái)保證。

在高頻PCB中,還要盡量減少過(guò)孔的數(shù)量,這樣既可減少分布電容,又能增加PCB的機(jī)械強(qiáng)度。總之,在高頻PCB的設(shè)計(jì)中,焊盤(pán)及其形狀、孔徑與孔距的設(shè)計(jì)既要考慮其特殊性,又要滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。采用規(guī)范化的設(shè)計(jì),既可降低產(chǎn)品成本,又可在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)提高生產(chǎn)的效率。

敷銅的主要目的是提高電路的抗干擾能力,同時(shí)對(duì)于PCB散熱和PCB的強(qiáng)度有很大好處,敷銅接地又能起到屏蔽的作用。但是不能使用大面積條狀銅箔,因?yàn)樵赑CB的使用中時(shí)間太長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大熱量,此時(shí)條狀銅箔容易發(fā)生膨脹和脫落現(xiàn)象,因此,在敷銅時(shí)最好采用柵格狀銅箔,并將此柵格與電路的接地網(wǎng)絡(luò)連通,這樣?xùn)鸥駥?huì)有較好的屏蔽效果,柵格網(wǎng)的尺寸由所要重點(diǎn)屏蔽的干擾頻率而定。

4、結(jié)束語(yǔ)